1,第8章 反馈控制电路,8.1 自动增益控制电路 8.2 自动频率控制电路 8.3 锁相环的基本原理 8.4 频率合成器,2,一、反馈控制的概念及分类 反馈控制是现代系统工程中的一种重要技术手段。在系统受到扰动的情况下，通过反馈控制作用，可使系统的某个参数达到所需的精度，或按照一定的规律变化。电子线路中也常常应用反馈控制技术。根据控制对象参量的不同，反馈控制电路可以分为以下三类：,概 述,3,1、自动增益控制 (Automatic Gain Control，简称AGC)，它主要用于接收机中，控制接收通道的增益，以维持整机输出恒定，使之几乎不随外来信号的强弱变化。 2、自动频率控制 (Automatic Frequency Control，简称AFC)，它主要用于维持电子设备中工作频率的稳定。 3、自动相位控制 (Automatic Phase Control，简称APC)，又称为锁相环路(Phase Lock Loop，简称PLL)，它用于锁定相位，能够实现许多功能，是应用最广的一种反馈控制电路。,4,二、反馈控制电路的组成 反馈控制电路的组成如图8-1所示，由比较器、控制信号发生器、可控器件和反馈网络四部分组成一个负反馈闭合环路。,图8-1反馈控制系统的组成,5,比较器的作用：是将参考信号ur(t)和反馈信号uf(t)进行比较，输出二者的差值即误差信号ue(t)，然后经过控制信号发生器送出控制信号uc(t)，对可控器件的某一特性进行控制。比较器可以是：电压比较器、频率比较器(鉴频器)或相位比较器(鉴相器)。 可控器件：或者是其输入输出特性受控制信号uc(t)的控制 (如可控增益放大器)，或者是在不加输入的情况下，本身输出信号的某一参量受控制信号uc(t)的控制 (如压控振荡器)。 反馈网络的作用：是在输出信号uo (t)中提取所需要进行比较的分量，送到比较器与参考信号进行比较。,6,8.1 自动增益控制电路,一、自动增益控制的意义 自动增益控制电路在通信、导航、遥测遥控等无线电系统中应用非常广泛。,图8-2 具有AGC电路的接收机组成框图,7,二、工作原理 1、自动增益控制电路的目的 自动增益控制电路的目的：当输入信号电压变化很大时，保持接收机输出电压恒定或基本不变。具体地说，当输入信号很弱时，接收机的增益大，自动增益电路不起作用；而当输入信号很强时，自动增益电路进行控制，使接收机增益减小。从而达到当接收机信号强度变化时，其输出端的电压或功率基本不变或保持恒定的目的。,8,2、自动增益控制电路框图 自动增益控制电路框图如图8-3所示。 设输入信号振幅为Ui，输出信号振幅为Uo，可控增益放大器增益为Kv(uc)，它是控制电压uc的函数，则有,(8-1),9,图8-3 自动增益控制电路框图,10,三、自动增益控制电路 根据输入信号的类型、特点以及对控制的要求，AGC电路主要有以下几种类型。 1简单AGC电路 (1) 基本原理： 在简单AGC电路里，参考电平Ur0。这样，只要输入信号振幅Ui增加，AGC的作用就会使增益Kv减小，从而使输出信号振幅Uo减小。图8-4为简单AGC的特性曲线。 在简单AGC电路中，起控点电压为零。,11,图8-4 简单AGC特性曲线,12,(2) 特点：电路简单，不需专门比较器； 只要有输入信号，AGC电路就起作用，适合输入信号很大的场合。 (3) 动态范围： 在AGC电路中，动态范围定义为输入（或输出）信号振幅的最大值与最小值之比。 输出动态范围：,(8-2),13,mi为AGC电路限定的输入信号振幅最大值与最小值之比（输入动态范围），即：,(8-3),(8-4),则有,nv称为增益动态范围。,14,图8-5 延迟AGC特性曲线,2延迟AGC电路 在延迟AGC电路里有一个起控门限，即比较器参考电压Ur，它对应的输入信号振幅Uimin，如图8-5所示。,15,图8-6 延迟AGC电路,16,3前置AGC、后置AGC与基带AGC 前置AGC是指AGC处于解调以前，由高频（或中频）信号中提取检测信号，通过检波和直流放大，控制高频（或中频）放大器的增益。 后置AGC是解调后提取检测信号来控制高频（或中频）放大器的增益。 基带AGC是整个AGC电路均在解调后的基带进行处理。,17,四、AGC的性能指标 1动态范围 AGC电路是利用电压误差信号去消除输出信号振幅与要求输出信号振幅之间电压误差的自动控制电路。 在AGC电路中，一方面希望输出信号振幅的变化越小越好，即要求输出电压振幅的误差越小越好；另一方面，也希望容许输入信号振幅变化越大越好。 AGC的动态范围是指：在给定输出信号振幅变化范围内，容许输入信号的变化范围。,18,2响应时间 AGC电路是通过对可控增益放大器增益的控制来实现对输出信号振幅变化的限制，而增益变化又取决于输入信号振幅的变化，所以要求AGC电路的反应既要能跟得上输入信号振幅的变化速度，又不会出现反调制现象，这就是响应时间特性。 根据AGC的响应时间长短可分为慢速AGC和快速AGC两类。,19,8.2 自动频率控制电路,一、工作原理 自动频率控制（AFC）电路由频率比较器、低通滤波器和可控频率器件三部分组成，如图8-7所示。,图8-7 自动频率控制电路的组成,20,AFC电路的被控参数为频率 1、频率比较器 频率比较器：将电路的输出角频率与参考角频率进行比较，输出其误差（电压）。 频率比较器有两种：鉴频器或混频-鉴频器。 在鉴频器中的中心角频率就是参考角频率； 在混频-鉴频器中，参考频率为本振频率与鉴频器中心频率之和。,21,2、可控频率器件 可控频率器件通常为压控振荡器（VCO） ，将在误差信号的控制下，产生输出信号。 压控振荡器的输出振荡角频率可写成：,(8-5),22,二、主要性能指标 对于AFC电路，其主要的性能指标是暂态和稳态响应以及跟踪特性。 1暂态和稳态特性 由图8-7可得频率比较器得输出为：,低通滤波器得输出为：,输出信号为：,23,故可得AFC电路的闭环传递函数：,由此可得到输出信号角频率的拉氏变换,(8-6),(8-7),由上式求拉氏逆变换，即可得AFC得时域响应。,24,2跟踪特性 由图8-7可求得AFC电路的误差传递函数Te（s），它是误差角频率e（s）与参考角频率r（s）之比，其表达式为：,从而可得AFC电路中误差角频率的时域稳定误差值,(8-8),(8-9),25,三、应用 1自动频率微调电路（简称AFC电路） 图8-8是一个调频通信机的AFC系统的方框图。这里是以固定中频fI作为鉴频器的中心频率，亦作为AFC系统的标准频率（见教材P330）。,26,图8-8 调频通信机的AFC系统方框图,27,图8-9 AFT原理方框图,2、电视机中自动微调电路（简称AFT电路） AFT电路完成将输入信号偏离标准中频(38MHz)的频偏大小鉴别出来，并线性地转化为直流误差电压，然后反送至调谐器本振回路的AFT变容二极管，以微调本振频率，从而保证中频稳定、准确。,28,8.3 锁相环的基本原理 据前面介绍可知，AFC电路是以消除频率误差为目的的反馈控制电路，基本思想是利用频率误差电压去消除频率误差，因此当电路达到平衡状态后，必然会有剩余频率误差存在，即频率误差不可能为零AFC的固有缺点。 锁相环也是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路，但是它是利用相位误差去消除频率误差，因此当电路达到平衡状态后，尽管存在剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零。,29,图8-10 锁相环的基本构成,一、工作原理 1、电路结构 锁相环是一个相位负反馈控制系统。它由鉴相器(Phase Detector，缩写为PD)、环路滤波器(Loop Filter，缩写为LF)和电压控制振荡器(Voltage Controlled Oscillator，缩写为VCO)三个基本部件组成，如图8-10所示。,30,鉴相器(PD)：是相位比较器，它把输出信号uo(t)和参考信号ur(t)的相位进行比较，产生对应于两信号相位差e(t) 的误差电压ud(t) 。 环路滤波器(LF)：其作用是滤除误差电压ud(t) 中的高频成分和噪声，保证环路性能，提高系统稳定性。 电压控制振荡器(VCO)：受控制电压uc(t)的控制，使其振荡频率向参考频率靠近，使两者频率误差越来越小，直至频差消除而被锁定。,31,2、工作原理 设参考信号为：,(8-10),其中：如果参考信号是未调载波时，则r(t)=r=常数。 设输出信号为：,(8-11),两信号之间的瞬时相差为：,（8-12）,32,由频率和相位之间的关系可得两信号之间的瞬时频差为,(8-13),因此，锁相环的工作原理为：首先鉴相器把输出信号和参考信号的相位进行比较，产生一个反映两信号相位差大小的误差电压；此电压经环路滤波器过滤后得到控制电压；最后由控制电压去控制振荡器的振荡频率，使其向参考频率靠近，直到两者频率相等而相位同步实现锁定。,33,锁定后两信号之间的相位差表现为一固定的稳态值。即：,（8-14）,此时，输出信号的频率已偏离了原来的自由振荡频率0(控制电压uc(t)=0时的频率)，其偏移量由式(8-13)和(8-14)得到为：,(8-15),这时输出信号的工作频率已变为：,(8-16),34,二、 基本环路方程 1. 鉴相器 鉴相器（PD）又称为相位比较器，它是用来比较两个输入信号之间的相位差e(t)。鉴相器输出的误差信号ud(t)是相差e(t)的函数，即：,根据上章内容可知，鉴相器的形式很多，按其鉴相特性可分为正弦形、三角形和锯齿形等。较为典型的正弦形鉴相器可用模拟乘法器与低通滤波器串接构成，如图8-11所示。,(8-17),35,图8-11 正弦鉴相器模型,将输出信号uo(t)与参考信号ur(t)进行变形，有： uo(t)=Uocos0t+2(t) (8-18) ur(t)=Ursinrt+r(t)=Ursin0t+1(t) (8-19) 式中，2(t)=0(t)，,36,1(t)=(r-0)t+r(t)=0t+r(t) (8-20) 将uo(t)与ur(t)相乘，滤除20分量，可得 ud(t)=Udsin1(t)-2(t)=Udsine(t) (8-21) 式中UdKmUrU0/2，Km为乘法器的相乘因子。 图8-12和图8-13分别为正弦形鉴相器的数学模型和鉴相特性。,图8-12 线性鉴相器的频域数学模型,37,图8-13 正弦鉴相器的鉴相特性,38,2. 环路滤波器 环路滤波器(LF)是一个线性低通滤波器，用来滤除误差电压ud(t)中的高频分量和噪声，更重要的是它对环路参数调整起到决定性的作用。 环路滤波器一般由线性元件如电阻、电容和运算放大器组成。由于它是一个线性系统，在频域可用其传输函数表示，其电路模型如图8-14所示。,39,图8-14 环路滤波器的模型 (a)时域模型 (b)频域模型,1)RC积分滤波器 这是最简单的低通滤波器，电路如图8-15(a)所示，其传递函数为：,(8-22),40,图8-15 RC积分滤波器的组成与频率特性 (a)组成 (b)频率特性,41,2)无源比例积分滤波器 无源比例积分滤波器如图8-16(a)所示。与RC积分滤波器相比，它附加了一个与电容C串联的电阻R2，这样就增加了一个可调参数。它的传递函数为：,(8-23),其中： 它们是两个独立的可调参数。其频率特性如图9-16所示。,42,图8-16 无源比例积分滤波器 (a)组成; (b)频率特性,43,3) 有源比例积分滤波器 有源比例积分滤波器由运算放大器组成，电路如图8-17(a)所示。当运算放大器开环电压增益A为有限值时，它的传递函数为：,(8-24),式中，1=(R1+AR1+R2)C;2=R2C。若A很高，则：,(8-